JPH07202311A

JPH07202311A - 光半導体レーザ装置の波長安定化方式

Info

Publication number: JPH07202311A
Application number: JP33860193A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hamada; 聡濱田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JP2694803B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光ファイバ増幅器において、増幅光の波長の
安定化を図る。【構成】光半導体レーザモジュールは、光半導体レー
ザの他にレーザの周囲温度の制御を行う冷却素子を備え
ており、光半導体レーザモジュールから出射され、光フ
ァイバ増幅器で増幅された増幅光は、一部が光分岐器に
よって分岐される。分岐光はさらに２分岐され、一方の
光はそのまま電気信号に変換され、他方は波長フィルタ
により特定の波長のみが透過され電気信号に変換され
る。両電気信号の電力比が一定になるように、温度制御
回路により光半導体レーザモジュールの冷却素子の温度
を制御して、光半導体レーザの信号光の波長を安定化さ
せる。【効果】増幅光の全スペクトラムの強度とそこから選
択される特定の波長の光の強度を比較して一定になるよ
うに信号光の波長を制御しているので、確実かつ制度が
高い安定した制御ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ増幅器を用
いた光通信用光半導体レーザ装置に関し、特に光半導体
の波長安定化方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信装置において通信距離の増大を図
るため、光半導体レーザから出力された信号光をさらに
光ファイバ増幅器により増幅させて送信する方式が実用
化されつつある。

【０００３】このような光通信装置においては、増幅さ
れた光の波長を一定に保つ必要がある。増幅光の波長
は、増幅用光ファイバとして通常用いられるエルビウム
ドープ光ファイバそのものの特性や、増幅用光ファイバ
を励起する励起用半導体レーザの波長安定性にはほとん
ど依存せず、信号光を出射する光半導体レーザの波長安
定性に大きく依存する。

【０００４】一方、光半導体レーザの波長は、周囲温度
に大きく影響され、温度が上昇するに従って長く、逆に
低下するに従って短くなる性質を有している。そこで、
従来は光半導体レーザの波長を安定化するため、光半導
体レーザの近傍にペルチェ素子などの冷却素子を配置し
ている。さらに、光半導体レーザの後方出射光を受光素
子でモニタしモニタ電流が一定になる、すなわち前方か
らの出射光が一定になるように注入電流を制御し、波長
の安定性を図っている。上述の通り、波長は周囲温度の
変化に影響されるが、同時にしきい値電流と微分量子効
率も影響を受けるので、光出力を一定の保つことにより
波長が変化していないものとして制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光半導体レーザは、上
述のように、例えば周囲温度が上昇すると光出力が低下
するが、注入電流を増加させることにより光出力を一定
に保つことができる。ところが、この場合、周囲温度が
上昇しているのに加えて注入電流増加によるレーザ自身
の発熱量の増加もあり、もとの波長から長くなる方へ大
きくずれることになる。また、光半導体レーザは、長期
間にわたる使用により経時的に劣化し、特にしきい値電
流が徐々に増大するので、この場合にも光出力制御によ
り波長を一定に保つのは困難になる。

【０００６】本発明は、上述の従来の光半導体レーザ装
置の波長安定化方式の欠点に鑑み、光出力によらず増幅
光の波長を高精度に検知し、安定化させる光半導体レー
ザ装置の波長安定化方式を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の欠点を除去するた
めに、本発明の光半導体レーザ装置の波長安定化方式
は、主電気信号を光信号に変換する光半導体レーザと、
光半導体レーザの周囲温度を変化させる温度制御素子と
を含む光半導体レーザモジュールと、光半導体レーザモ
ジュールから送出された光信号を増幅して増幅光を送出
する増幅用光ファイバを含む光ファイバ増幅器と、増幅
用光ファイバの出力側に配置され、増幅光の一部を分岐
して第１の分岐光を送出する第１の光分岐器と、第１の
分岐光を２分岐して第２の分岐光と第３の分岐光を送出
する第２の光分岐器と、第２の分岐光を第１の電気信号
に変換する第１の受光モジュールと、第３の分岐光のう
ち、特定の波長の光のみを透過させ狭波長帯域光を送出
する波長フィルタと、狭波長帯域光を第２の電気信号に
変換する第２の受光モジュールと、第１の電気信号に対
する前記第２の電気信号の電力比を検出し、電力比によ
り設定した値の制御電流を温度制御素子に送出する温度
制御回路とを備えたことを特徴としている。

【０００８】上記構成において、特に電力比が一定にな
るように、制御電流が設定されることを特徴としてい
る。

【０００９】制御電流の設定においては、波長フィルタ
の狭波長帯域光の中心波長が、増幅光のピーク波長より
も長く、電力比が増大する場合には、温度制御回路は冷
却素子の温度が低下し、電力比が減少する場合には、温
度制御回路は冷却素子の温度を上昇するように、冷却素
子に制御電流を送出することを特徴としている。

【００１０】これとは逆に、波長フィルタの狭波長帯域
光の中心波長が、増幅光のピーク波長よりも短く、電力
比が増大する場合には、温度制御回路は冷却素子の温度
が上昇し、電力比が減少する場合には、温度制御回路は
冷却素子の温度が低下するように、冷却素子に制御電流
を送出することを特徴としている。

【００１１】また、本発明は特に波長フィルタが、増幅
光のピーク波長から±２０ｎｍの波長範囲で、かつ波長
通過帯域幅が５ｎｍ以下の波長の光のみを透過させるこ
とを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明の光半導体レーザ装置の波長安定化方式
では、光ファイバ増幅器により増幅された増幅光によ
り、直接的に波長変動を検出する。光半導体レーザの波
長制御は、レーザの近傍に配置した冷却素子により周囲
温度を変化させて行う。

【００１３】増幅光からの波長変動の検知は、増幅光の
一部を光分岐器で分岐し、分岐された分岐光をさらに２
分岐する。一方はそのまま受光モジュールにより電気信
号に変換し、他方は波長フィルタにより特定波長だけ選
択的に通過させて電気信号に変換する。そして両者の電
力比を算出し、電力比が一定になるように温度制御回路
により冷却素子の温度を制御する。

【００１４】増幅用光ファイバのスペクトラムは、励起
光の波長変動等よって影響を受けにくく、専ら信号光の
波長により決まる。また、信号光のスペクトラムに変化
がなければ増幅光のスペクトラムも経時的に安定してい
る。そこで、本発明では、増幅光の全スペクトラムから
得られる光出力と、波長フィルタにより選択された特定
の狭波長帯域の光出力を比較している。この特定の波長
帯域が増幅光のピーク波長近傍であると、波長変動があ
ると受光モジュールで検出される光出力も敏感に変化す
る。一方、増幅光の全スペクトラムから得られる光出力
は、信号光を出射する光半導体レーザの光出力と、光フ
ァイバ増幅器の利得が一定であれば波長変動によっては
ほとんど変化しないはずである。従って、両者を比較す
れば容易にしかも精度よく増幅光の波長変動を検知する
ことができる。

【００１５】特に、波長フィルタによって取出される波
長は、増幅用光ファイバからの自然増幅光が小さい、す
なわち増幅光のピーク波長近傍であるほうが波長変動に
よる光出力変動が大きいので精度よく検知できる。ま
た、波長帯域幅もなるべく小さい方が、波長変動による
感度が高くなるので、原理的に精度の向上を図ることが
できる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の光半導体レーザ装置の波長安
定化方式を図面を用いて詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の光半導体レーザ装置の波
長安定化方式の一実施例のブロック図である。光半導体
レーザモジュール１は、入力された主電気信号を光信号
に変換する光半導体レーザ２と、光半導体レーザ２の後
方出射光をモニタするモニタ用フォトダイオード３と、
光半導体レーザ２の近傍に配置され温度を変化させるペ
ルチェ冷却素子４を備えている。光半導体レーザ２の前
方から出射される光は、レンズ（図示省略）を介して光
ファイバに送出される。光半導体レーザモジュール１に
は、制御回路５が接続されており、モニタ用フォトダイ
オード３のモニタ電流を一定に保つように光半導体レー
ザ２への注入電流が制御されている。

【００１８】光半導体レーザモジュール１から出力され
た光信号は、光ファイバ増幅器６の増幅用光ファイバ７
に入射され、増幅され増幅光が伝送路光ファイバに送出
される。なお、光ファイバ増幅器は、図１において増幅
用光ファイバのみが示されているが、他に励起光源、励
起光源からの励起光を合波する光合波器、光アイソレー
タ等から構成されている。

【００１９】光ファイバ増幅器６から送出された増幅光
は、第１の光分岐器８で一部が分岐される。ここでは、
分岐比が１００：１の光分岐器が用いられており、増幅
光の約１％の光が分岐される。分岐された光は、さらに
第２の光分岐器９で２分岐される。一方の分岐光は、そ
のまま第１の受光モジュール１０で受光され電気信号に
変換される。他方の分岐光は、増幅光のピーク波長より
もわずかに異なる波長の光のみを通過させる波長フィル
タ１１により、一部のスペクトラムのみが選択されて第
２の受光モジュール１２で電気信号に変換される。両電
気信号は温度制御回路１３に入力され電力比が算出され
る。この電力比が一定になるように冷却素子４への電流
値が制御される。

【００２０】次に、本実施例の実験結果について説明す
る。

【００２１】光信号として、波長１．５５μｍ帯の光が
用いられている。また、増幅用光ファイバ７には、この
波長帯の光を増幅するエルビウムドープ光ファイバが用
いられている。励起光源には、波長１．４８μｍの励起
光を出力する光半導体レーザが用いられている。また、
光分岐器８、９には、干渉膜フィルタ型光分岐器が、受
光モジュール１０、１２には、ＩｎＧａＡｓアバランシ
ェ・フォトダイドードが用いられている。

【００２２】図２は、このような構成で光信号が増幅さ
れたときの増幅光のスペクトラムを示している。光ファ
イバ増幅器６に入力される光信号の波長は１５５２ｎｍ
であり、増幅光のスペクトラムのピーク波長も１５５２
ｎｍとなっている。

【００２３】これに対して、波長フィルタ１１は、１５
５５ｎｍから１５６０ｎｍの波長の光のみを通過させる
狭波長帯域フィルタである。このような狭波長帯域の光
のみを選択的に通過させる波長フィルタとしては、例え
ば石英導波路を用いたマッハツェンダ型フィルタがあ
る。

【００２４】図３（ａ）は、図２に示される増幅光のス
ペクトラムを模式的に示した図である。また、図中斜線
部で表示される部分は、波長フィルタ１１によって取出
される部分のスペクトラムである。図３（ｂ）は、波長
フィルタ１１を通過して受光モジュール１２で受光され
る光のスペクトラムを示した図である。上述の通り、増
幅光の全スペクトラムからなる分岐光と（ｂ）に示され
る部分的なスペクトラムからなる分岐光はともに電気信
号に変換され、電力比が比較される。なお、前者と後者
の光出力をなるべく等しくするために、第２の光分岐器
９の分岐比は１：１ではなく、１：１０のものが用いら
れている。

【００２５】いま、光半導体レーザモジュール１の周囲
温度が上昇して、波長が長い方へ移行したとする。する
と、図２に示される増幅光のスペクトラムは全体が長い
方へ移行する。これに伴って、ピーク波長も長い方へ移
行するため、波長フィルタ１１によって取出される光の
強度も増加する。もし、光信号の強度と利得が一定であ
れば、全スペクトラムの光強度は波長のみが変化するだ
けで、光出力は変化しない。これに対して、波長フィル
タ１１を通過した光の強度は増加するので、両者の電力
比は増大する。従って、このときは温度制御回路１３に
より、冷却素子の温度を低下させればよい。逆に、光半
導体レーザモジュール１の周囲温度が低くなったとき
は、増幅光のスペクトラムは短くなる方へ移行するの
で、電力比は小さくなる。従って、冷却素子の温度を上
昇させればよい。

【００２６】上記説明では、光半導体レーザモジュール
１の周囲温度が変化しても、光信号の出力は変化しない
ものとしたが、本発明の構成では常に全スペクトラムの
光出力とその一部のスペクトラムの光出力の比を比較し
ているので、全体の光出力が変化しても両者の比は一定
であり、高精度に波長制御できる。

【００２７】上述の本実施例とは逆に、波長フィルタ１
１の通過波長帯域が増幅光のピーク波長よりも短いもの
を用いてもよい。この場合は、温度の上昇、低下に対し
て、電力比の変化は逆になる。

【００２８】通常、波長は１ｎｍ以下の精度で制御する
必要があるので、自然放出光の影響が少なく波長変動に
よる光出力変動の影響を受ける通過波長として、増幅光
のピーク波長を中心として±１０ｎｍ程度の波長範囲に
設定するのがよい。また、波長フィルタによって取出さ
れる波長帯域幅としては、１〜５ｎｍ程度であればよ
い。

【００２９】また、本発明の光半導体レーザ装置の波長
安定化方式では、光ファイバ増幅器の構成によらず増幅
光の安定化を図ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光半導体
レーザ装置の波長安定化方式によれば、高精度に波長変
化を検知でき、高い波長安定化が実現できる。しかも、
常に増幅光の全スペクトラムの光出力と特定の波長帯域
の光の出力を比較しているので、光半導体レーザからの
光信号の出力および光ファイバ増幅器の利得とは独立し
て波長の安定化を図ることができる。従って、波長を一
定に維持したまま光信号を増加させたり、利得を変化さ
せることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光半導体レーザ装置の波長安定化方式
の一実施例を示すブロック図。

【図２】光ファイバ増幅器から出力される増幅光のスペ
クトラム。

【図３】本発明の光半導体レーザ装置の波長安定化方式
の一実施例による増幅光のスペクトラムと波長フィルタ
により選択される波長スペクトラムを示す図。

【符号の説明】

１・・・光半導体レーザモジュール２・・・光半導体レーザ３・・・モニタ用フォトダイオード４・・・冷却素子５・・・自動光出力制御回路（ＡＰＣ回路）６・・・光ファイバ増幅器７・・・増幅用光ファイバ８・・・第１の光分岐器９・・・第２の光分岐器１０・・・第１の受光モジュール１１・・・波長フィルタ１２・・・第２の受光モジュール１３・・・温度制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主電気信号を光信号に変換する光半導体
レーザと、前記光半導体レーザの周囲温度を変化させる
温度制御素子とを含む光半導体レーザモジュールと、前記光半導体レーザモジュールから送出された光信号を
増幅して増幅光を送出する増幅用光ファイバを含む光フ
ァイバ増幅器と、前記増幅用光ファイバの出力側に配置され、前記増幅光
の一部を分岐して第１の分岐光を送出する第１の光分岐
器と、前記第１の分岐光を２分岐して第２の分岐光と第３の分
岐光を送出する第２の光分岐器と、前記第２の分岐光を第１の電気信号に変換する第１の受
光モジュールと、前記第３の分岐光のうち、特定の波長の光のみを透過さ
せ狭波長帯域光を送出する波長フィルタと、前記狭波長帯域光を第２の電気信号に変換する第２の受
光モジュールと、前記第１の電気信号に対する前記第２の電気信号の電力
比を検出し、前記電力比により設定した値の制御電流を
前記温度制御素子に送出する温度制御回路とを備えたこ
とを特徴とする光半導体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項２】前記電力比が一定になるように、前記制
御電流が設定されることを特徴とする「請求項１」記載
の光半導体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項３】前記波長フィルタの狭波長帯域光の中心
波長が、前記増幅光のピーク波長よりも長く、前記電力比が増大する場合には、前記温度制御回路は前
記冷却素子の温度が低下し、前記電力比が減少する場合には、前記温度制御回路は前
記冷却素子の温度を上昇するように、前記冷却素子に前
記制御電流を送出することを特徴とする「請求項１」記
載の光半導体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項４】前記波長フィルタの狭波長帯域光の中心
波長が、前記増幅光のピーク波長よりも短く、前記電力比が増大する場合には、前記温度制御回路は前
記冷却素子の温度が上昇し、前記電力比が減少する場合には、前記温度制御回路は前
記冷却素子の温度が低下するように、前記冷却素子に前
記制御電流を送出することを特徴とする「請求項１」記
載の光半導体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項５】前記波長フィルタは、前記増幅光のピー
ク波長から±１０ｎｍの波長範囲で、かつ波長通過帯域
幅が５ｎｍ以下の波長の光のみを透過させることを特徴
とする光半導体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項６】前記波長フィルタは、石英導波路からな
るマッハツェンダ型フィルタであることを特徴とする
「請求項５」記載の
【請求項７】前記光半導体レーザモジュールは、前記
光半導体レーザの出射光の一部を受光してモニタ電流に
変換する受光素子と、前記モニタ電流が一定になるよう
に前記光半導体レーザへの注入電流を制御する制御回路
とを備えたことを特徴とする「請求項１」記載の光半導
体レーザ装置の波長安定化方式。
【請求項８】前記増幅用光ファイバは、エルビウムド
ープ光ファイバであることを特徴とする「請求項１」記
載の光半導体レーザ装置の波長安定化方式。